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文档简介

二极管开关的通断是受两端电压极性控制。,三极管开关的通断是受基极 b 控制。,1、三极管的三种工作区域,三、晶体三极管开关特性,饱和区,放大区,截止区,饱和区iC受vCE显著控制的区域,该区域内vCE的 数值较小,一般vCE0.7 V(硅管)。此时 发射结正偏,集电结正偏或反偏电压很小。,截止区iC接近零的区域,相当iB=0的曲线的下方。 此时,发射结反偏,集电结反偏。,放大区iC平行于vCE轴的区域, 曲线基本平行等距。 此时,发射结正偏,集 电结反偏,电压大于 0.7 V左右(硅管) 。,1、三极管的三种工作区域,饱和区,放大区,截止区,三极管工作在放大区。,三极管放大条件:,放大特点:,基极电流IB对集电极电流IC有很强的控制作用,IC=IB。从特性曲线上可以看出,在相同的VCE条件下,IB有很小的变化量IB,IC就有很大的变化量IC。,2、三极管的三种工作状态,、放大状态,三极管有放大能力,i c i b,三极管工作在饱和区。,饱和区VCE比较小,也就是IC受VCE显著控制区。即将输出曲线直线上升和弯曲部分划为饱和区。,三极管饱和条件:,基极电位高于发射级、集电极电位。,2、三极管的三种工作状态,、饱和状态,i b IBS,三极管饱和特点:,当VCE减少到一定程度后,集电结收集载流子的能力减弱,造成发射结“发射有余,集电结收集不足”,集电极电流IC不再服从IC=IB的规律。,三极管饱和时的等效电路:,2、三极管的三种工作状态,硅管 0.7V,锗管 0.3V,硅管 0.3V,锗管 0.1V,不考虑管压降时的等效电路,等效于开关闭合,三极管工作在截止区,IB=0曲线以下。,发射结、集电结均反偏。,VBE0,VBC0,三极管相当于开路,三极管截止等效电路:,所以可以利用三极管饱和、截止状态作开关。,三极管截止条件:,2、三极管的三种工作状态,、截止状态,等效于开关断开,三极管PN结四种偏置方式组合,根据VCC和RC值,在输出特性曲线上画一条负载线。,当Vi 0 时:,三极管截止,工作在特性曲线A点。,当 i b60A时,i C = i b =50X60=3mA,T 临界饱和,当i b60A时,i C 几乎不变。三极管进入饱和区。,临界饱和时基极电流:,饱和时集电极电流:,例:共发射极电路,首先求出基极电流,然后求出临界饱和时基极电流:,三极管工作在饱和状态,大的越多,饱和的越深。,三极管工作在放大状态,三极管工作在截止状态,如何判断三极管工作状态,理想情况下:(饱和、截止动作瞬时完成),三极管开关和二极管开关一样,都存在开关惰性。三极管在作开关运用时,三极管饱和及截止两种状态不是瞬时完成。因为三极管内部存在着电荷建立和消散过程。,Vi = Vb2时:T 饱和,Vi = Vb1时:T 截止,2、三极管开关惰性,Vi = - Vb1 时:T 截止 i b 0 i c 0,实际情况下:,输入由Vb2上跳到Vb1,T由止放大饱和。,输入由Vb2下跳到-Vb1,由饱和放大止。,需要经历四个时间:,延迟时间: i c 由0上升到0.1 i c max,上升时间: i c 由0.1 i c max上升到0.9 i c max,存储时间: i c 由 I c max下降到0.9 i c max,下降时间:i c 由0.9 i c max下降到0.1 i c max,T由截止导通需要的时间:tON =td+tr,T由导通截止需要的时间:tOff=ts+tf,三极管开关惰性,用基区电荷分布图说明,当输入,发射结由:反偏正偏所需时间 td,正向偏压,基极驱动电流,发射区扩散到基区电子数,集电极收集的电子数,由小到大变化,当基区的电子浓度增加到 4 时:,发射结正偏后:,集电极电流达到临界饱和:ICS,基区中电子积累所需时间:t r,三极管由截止进入饱和过程:,电子浓度,开关惰性形成的原因:,临饱,放大,正偏,IBIBS 时,发射结发射有余,集电极收集不足。过剩电子在基区积累,如 45。这段时间就是存储时间 t s,当i b继续增加:,电子浓度,分析输入信号由:,希望基极驱动电流i b 1很大,加速三极管由截止向饱和转变,缩短上升时间t r ,减少延迟时间,提高工作速度。,虽然i b1增加带来td、 t r 减小。同时也会使 t s 增加。要求驱动电流不是常数,而是前大后小,前大加速建立,后小不过分饱和。,开关惰性形成的原因:,正偏,放大,临饱,深饱,电子浓度,当输入,三极管由饱和进入截止过程:,由于基区电子不能立即消失,T 仍然饱和,其转变过程是:随正偏压的减小,基区存储的电子逐渐减小。54区间中电子积累从深饱和浅饱和临界饱和放大截止。,分析输入信号由:,希望基极驱散电流i b 2很大,加速三极管由饱和向截止状态转变。,同样i b2增加带来t f 减小。同时也会使 t d 增加。即:三极管截止时,反偏电压越大,转向正偏时间越长。因此,要求驱动电流也不是常数,而是前大后小,前大快速驱散,后小不过分截止。,开关惰性形成的原因:,深饱,临饱,放大,正偏,结论:,把三极管由截止饱和的基极电流i b1叫做正向驱动电流。,把三极管由饱和截止的基极电流i b2叫做反向驱散电流。,这样一个前大后小的基极驱动电流很难选取。但可以利用电容C上的电压不能突变的特性,近似实现。这个电容叫做加速电容。,开关惰性形成的原因:,R1、R2、外加负偏压VBB及Vi 共同决定三极管工作状态,保证三极管在开关方波的作用下可靠工作于饱和、截止两种状态。,那么如何保证三极管可靠工作?就依靠合理选择基极偏置电阻来保证。(设计问题),当Vi = 0 时:,希望T截止先假设T止再看是否止,画截止等效电路, - 1V,三极管截止条件:V be0,令:V be1V T 可靠截止,当V i = E 时:,希望T饱和,先假设T饱和再判是否饱和,画饱和等效电路,三极管截止条件:i b IBS,四、晶体三极管反相器,1、反相器工作原理及设计方法:,即:,三极管一定饱和。,元件选择:,T: 先选择开关管,再根据手册给出ICM确定RC。,VCC、VBB 根据工作条件确定。,C1根据开关管截至频率确定。,反相器的优点:,输出振幅比较大,饱和时 VO 0 。 截止时,VO VCC 。,三极管饱和时,V c e s = 0.3V 所以功耗小。,对的一致性要求底,只要满足,晶体三极管反相器,反相器的基本功能是将输入信号反相输出,输出信号应保持与输入信号形状一致,但由于三极管本身存在:开关时间、分布电容及寄生电容的影响,使输出波形产生一定畸变,只能采取措施,使这种畸变尽可能减小至容许范围之内。,常用方法:,采用加速电容,增加钳位二极管。,VCL:钳位电压, VCL VCC,DCL:钳位二极管。,CO :输出端分布电容及负载电容之和。,当:Vi = VIL,T 止,DCL导,VO=VCL,VCC以RCCO向CO充电,负载变化,稳定输出。,当:Vi = VIH,T饱和,CO 放电,= r CES CO,由于RC r CES CO 快速放电。,DCL对下降沿影响小。,当:Vi 从,T由饱和变为截至,由于电容上的电压不能突变,又以大时常数RCO充电,充电速度比较慢。当充至VOVCL,DCL导通。VO被钳位于VCL,2、提高反相器开关速度的方法:,VCL,VCC,R1,R2,-VBB,RC,反相器负载有两种情况:,流进反相器的电流叫灌流负载。记做 i OI,流出反相器的电流叫拉流负载。记做 i op,如何衡量反相器带负载能力?,反相器在正常工作条件下:,饱和状态:VO = 0.3V,反相器所允许最大灌电流IOCM是多少?,截止状态:VO = V CL,反相器所允许最大拉电流IOPM是多少?,3、反相器带负载的能力,三极管饱和时:,VO= V c e s=0.3V, D CL 止,i DCL =0,流入集电极电流:,IBS,i C = i RC + i OI,由饱和条件 i B IBS 知:,IBS:增加使三极管饱和深度减少,有可能引起三极管退出饱和。,所以:灌电流的增加,不应破坏三极管的饱和条件。即:,i C IC / ,i RC + i OI i B,i C = i B,分饱和、截止两种状态讨论。,(1)、反相器带灌流负载的能力,、三极管饱和时带灌流负载的能力。,RC,VCC,R1,vi,vo,R2,-VBB,C1,DCL,VCL,三极管截至时:,i C = 0 DCL 导通 VO = VCL,流入钳位二极管电流:i DCL = i RC + i OI,灌电流的增加不可能烧坏钳位二极管。,三极管饱和时所允许的最大灌电流:,= ICM VCC / RC,I0IM i B i RC,、三极管截至时带灌流负载的能力。,RC,VCC,R1,vi,vo,R2,-VBB,C1,DCL,VCL,三极管饱和时:,DCL 止,i DCL= 0,拉电流:i OP = i RC i C,由饱和条件 i B IBS 知:,i op的增加引起i C 的减少, i C 的减少又引起 i B 的减少。三极管的饱和深度加深。所以拉电流的增加,不破坏三极管的饱和状态 i op的增加,最大将 i C 拉到0 。,所以:最大拉电流:IOPM i RC-0 = VCC / RC,仍然分饱和、截止两种状态讨论。,(2)、反相器带拉流负载的能力。,、三极管饱和时带拉流负载的能力。,RC,VCC,R1,vi,vo,R2,-VBB,C1,DCL,VCL,三极管截至时:,DCL 导通,i C = 0,VO = VCL,i RC = i DCL + i OP,拉电流i OP增加到一定程度使i DCL 减小到 0,D 失去钳位作用。,因此三极管截至时,最大拉电流以钳位二极管不失去钳位作用为原则。,IOPM i RCVCC-VCL / RC,即: i DCL 不能为0,、三极管截至时带拉流负载的能力。,RC,VCC,R1,vi,vo,R2,-VBB,C1,DCL,VCL,1、 当30,T能否可靠饱和或截止?,2、 在输入为高电平时,保证T可靠饱 和,值最小等于多少?,3、 在输入为低电平时,保证可 T 靠截止,VBB值最小等于多少?,题意分析:,先判导和止,再判饱和否。,截至条件:发射结、集电结均反偏。VBE0,饱和条件:发射结、集电结均正偏。VBE 0,练习题:,解(1):,先假定T截止,,画出T截止等效电路:,满足截止条件T

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